独立太阳能光伏发电系统的组成优化

独立运行的光伏发电系统可根据用电负载的特点,分为直流系统、交流系统和交直流混合系统。其主要区别是系统中是否带有逆变器。独立太阳能光伏发电系统如图3.2所示,它主要由太阳电池方阵、储能装置(蓄电池组)、直流—交流逆变装置、控制设备与连接装置等组成。

图3.2　独立太阳能光伏发电系统示意图

1.太阳电池方阵

太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳电池。商用的太阳电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等几种类型。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。目前世界上多采用硅太阳电池,即单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池。太阳电池单体是用于光电转换的最小单元,一般不能单独作为电源使用。尺寸通常为2cm×2cm到目前的15cm×15cm。太阳电池的单体工作电压为400～500m V,工作电流为20～25m A/cm2,远低于实际应用所需要的电压值。为了满足实际应用的需要,需要把太阳电池连接成组件。太阳电池组件包含一定数量的太阳电池,把这些太阳电池通过导线连接。一个组件上,太阳电池的标准数量是36个或40个(10cm×10cm),这意味着一个太阳电池组件大约能产生16V的电压,正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

太阳电池组件种类繁多,根据太阳电池片的类型可分为：单晶硅组件、多晶硅组件、砷化镓组件、非晶硅薄膜电池组件等,其中晶体硅(包括单晶硅和多晶硅)太阳电池组件约占市场的80%～90%。封装材料与工艺也有所不同,主要分为环氧树脂胶封、层压封装、硅胶封装等。目前用得最多的是层压封装方式,这种封装方式适宜于大面积电池片的工业化封装。同类太阳电池组件根据峰值功率、额定电压又可以分为不同型号。

将太阳电池组件经过串、并联安装在支架上,就构成了太阳电池方阵,它可以满足负载所要求的输出功率。

2.防反充二极管

防反充二极管又称阻塞二极管,在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时,蓄电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中,起单向导通作用。因此它必须保证回路中有最大电流,而且要承受最大反向电压的冲击。一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。

3.蓄电池组

蓄电池组的作用是储存太阳电池方阵受光照时所发出的电能并能随时向负载供电。在为太阳能光伏发电系统选择蓄电池时,要考虑电压电流特性等电气性能,还要求蓄电池组的自放电率低,使用寿命长,深放电能力强,充电效率高,可以少维护和免维护,工作温度范围宽,价格低廉等,再在此基础上考虑经济性选择最佳。蓄电池分为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂蓄电池等。目前我国与太阳能光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池,一般选用固定式或工业密封免维护型铅酸蓄电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池,一般选用小型密封免维护型铅酸蓄电池。

4.控制设备(www.xing528.com)

控制设备是太阳能光伏发电系统中的重要部分之一。系统中的控制设备通常应具有以下功能：

(1)信号检测。检测光伏发电系统各种装置和各单元的状况及参数,可以对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。

(2)蓄电池的充放电控制。一般蓄电池组经过过充或过放电后会严重影响其性能和寿命,所以充放电控制设备是不可缺少的。控制设备可根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状况,确定最佳充电方式,以实现高效、快速充电并对蓄电池放电过程进行管理,如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。

(3)其他设备保护。系统所连接的用电设备,在有些情况下需要由控制设备来提供保护,如系统中因逆变电路故障而出现的过电压和负载短路而出现的过电流等,如不及时加以控制,就有可能导致系统或用电设备损坏。

(4)故障诊断定位。当系统发生故障时,可自动检测故障类型,指示故障位置,对系统进行维护提供便利。

(5)运行状态指示。通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。

太阳能光伏发电系统在控制设备的管理下运行。控制设备可以采用多种技术方式实现其控制功能。比较常见的有逻辑和计算机控制两种方式。

5.逆变器

逆变器是将直流电转变成交流电的一种设备。它是光伏系统中的重要组成部分。由于太阳电池和蓄电池发出的是直流电,当负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。通常逆变器不仅可以把直流电转换为交流电,也可以如下所述那样,具有使太阳电池最大限度地发挥其性能,以及出现异常和故障时保护系统的功能等。①有效地去除受天气变化影响的太阳电池的输出功率,具有自动运行停止功能及最大功率跟踪控制功能；②为保护系统,具有单独(孤岛)运行防止功能及自动调压功能；③当系统和逆变器出现异常时,可以安全地分离或使逆变器停止工作。

逆变器按运行方式,可分为独立运行(离网)逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能光伏发电系统,为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统,将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器,电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器,成本高,但可以适用于各种负载。从长远看,正弦波逆变器将成为发展主流。

6.测量设备

对于小型太阳能光伏发电系统,一般只需要进行简单的测量,如蓄电池电压和充放电操作电流,这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。对于太阳能通信电源系统、管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站,往往要求对更多的参数进行测量。如测量太阳辐射能、环境温度、充放电电量等,有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能。而为了得到这种较为复杂的测量,就必须为太阳能光伏发电系统配备数据采集系统和微机监控系统。